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LeTID是否能让PERC风采依旧?

来源:PI Berlin,PV Magazine    时间:2019-06-26 09:35

   PERC组件的光诱导初级衰减是业内讨论趋于白热化的一个话题,但是柏林光伏研究所最新的测试表明这个问题是可以解决的,创始人兼首席执行官保罗.格鲁诺在本文中解释了该测试的效果、方法和结果。



  图片:柏林光伏研究所的人工气候室,LeTID衰减只能在高温下进行测试

  虽然最初的功率衰减话题再次成为大家火爆讨论的主题,但是本质上来说这并不是一个新的概念。通常,光诱导衰减(LID)将会降低1%到3%的组件转换效率。这个衰减直接在组件设定铭牌功率时减掉,在计算电站收益的时候,专家和银行也会把这一部分衰减计算进去。因此,长期以来,LID的测量一直是我们项目级光伏组件测试的关键部分。

  下图中的组件测量值显示的就是这种标准的光诱导衰减曲线。


  图片 (1)CZ-BSF,CZ-PERC,mc-BSF和mc-PERC以及铸造单晶在75℃,400W/m2光衰条件下效率的衰减趋势 (2)多晶PERC电池在不同温度的衰减趋势(所有电池都没有经过抗光衰处理)

  然而,由于热辅助光诱导衰减(LeTID)的影响,尤其是PERC组件,这一问题日渐紧迫。

  PERC电池(Passivated Emitterand Rear Cell)最早起源于上世纪八十年代,但是直到近十几年才大量应用。多晶硅PERC电池在户外起初运行的几个月时间里,功率衰减高达15%,远大于常规铝背场电池1~3%的衰减。这种衰减需要在光照和温度(通常大于50℃)的同时作用下才会发生,因此,某国际组件生产商建议把这种衰减命名为热辅助光诱导衰减(Light-and elevated temperature-induced degradation,LeTID)。多晶硅PERC光伏组件在户外运行过程中,从衰减到恢复的周期长达数年甚至十几年,这意味着光伏发电系统的效益将受到严重损失。

  LeTID自2012年以来就已为人们所熟知,但是对PERC组件的影响显著高于LID在之前技术上所造成的影响。在实验室环境下,更高的温度和强烈的光照会大大加速功率衰减,也因此得出衰减速度与地理位置密切相关。举个例子,通过对比不同组件在凉爽的德国和温暖的塞浦路斯的衰减值,LID和LeTID可以通过以下三个特征来区分:

  1. 衰减程度:同时受到LID(4-10%)和LeTID影响的组件衰减程度要比仅有LID(1-3%)影响的严重。

  2. LeTID的发生速度比LID慢一个数量级: 在实验室75摄氏度和最大功率点(MPP)下,LeTID大约需要1000小时才能完全达到完全衰减的程度。相比之下,因LID导致的性能下降只要经过几天就会显现。实际环境与此类似,但是主要取决于当地的气候。想到使LeTID达到最高值,在德国要10年,而塞浦路斯只需要4年,因为后者的平均组件温度达到了25摄氏度,且伴随着相当高的辐射。

  另一方面,LID只需要短短数天就在这两个地区达到了最大值。幸运的是,LeTID在实验室中可以更快的测量。通过将组件温度每10度升温两倍并增加电荷载流子注入,可以加速衰减作用。增加电荷载流子可以通过从最大工作点的操作切换到无负载的“VOC模式”来实现,在这种模式下,组件的电路终端将形成一个开路。这可以实现LeTID的10倍加速。

  3.相同参数下LeTID再生(也译作 LeTID恢复):参考文件上的EL图像说明LeTID在满格衰减之后(刚好与LID相反)可以再生,甚至不需要改变任何外部参数。这个再生循环也可以通过提高温度和切换到无负荷运行并注入更多电荷来加速。

  LeTID再生有什么帮助吗?

  因为在实际应用环境下,组件一旦达到最大衰减点也能热辅助光诱导衰减再生,因此人们很容易认为LeTID问题被夸大了。但即使在塞浦路斯这样的气候条件下,再生也需要8年时间,而在德国,再生可能需要长达20年。

  因此在试运行之前,应该对LeTID敏感组件的再生进行加速。这在实际安装应用中是可行的,但是目前只在空载,隔热保护的单片组件上进行过模拟演示。因电荷载流子和组件温度的提升导致,在德国地区的组件LeTID再生时间为6个月。在比较温暖的如塞浦路斯地区,这种方法可以将时间缩短到2个月。但是这种方法并不是一种对用户友好的选择。在电池片和组件级别的稳定最为重要,电站安装商需要同意这样的合同,然后进行随机抽查,以确保任一单片组件的实际性能稳定。

  尽管LeTID背后的物理原理还没完全搞懂,但是实际上可以通过控制电池片的生产工艺来生产LeTID稳定的电池片。实现目标最佳的方法就是在光照辐射下,以足够高的温度运行LeTID循环,这一步骤应作为电池片分选前的最后一步生产环节或者作为一个调整环节。

  这一步骤原本是针对LID研发的,该工艺基本上不会造成转换效率的损失,并且可以通过电池片制造设备来完成。还有一个优点就是,它可以消除LID衰减。在批量生产的工业背景下,可以快速有效的验证这一工艺的存在有效性。还有一种方法是组件制造商通过加大层压机中的电流来实现衰减-再生循环。然而,不得不提的是,这种工艺是受专利保护的。

  使LeTID再生在实际安装前完成,也非常重要。因为很多大型的MW级电站通常是在建成几年后在二级市场上转卖。最糟糕的是,千万避免在LeTID衰减达到最高值的时候进行电站交易(这会造成上万美元甚至更高的损失)。

  如果在生产过程中没有完成LeTID再生,处理功率衰减的另一种切实可行的方法就是根据LeTID衰减的程度校正组件输出的额定名牌,就跟处理LID衰减一样。另外,在现场模拟中,可以输入一个因LeTID引起的年度衰减率。

  以我们的实验数据为例,在四年的使用时间里每年减去1.75%,直到减去7%,再加上每年因封装和焊接材料老化导致的0.5%。总计9%。也就是说,在塞浦路斯平均每年衰减2.3%,在德国每年衰减1.2%。

  即便采用这种解决方案,EPC和投资商也会选择深度了解相应组件的具体情况,无一例外,测试是最重要的。

  LeTID 测试

  为了向大家说明目前被广泛使用的组件是如何应对这两种衰减的,我们在公开的市场上购买了10种PERC组件样品,其中有两款是多晶PERC。

  我们在测试条件下主要测试了:为了加速LeTID,将组件暴露在75°C的环境下;黑暗中,在标准测试条件下最大功率点接入正向电流。这项加速衰减测试目前也开始试应用到IEC 61215-2的第二版测试稿中:MQT 23.1下的LeTID检测,要求重复测试满162小时,直到最终稳定为止。

  如果功率衰减小于额定功率的1%,则认为组件性能是稳定的。在做这样的测试时,细节至关重要。通过加大电流值,注入更多电荷载流子,从而提高衰减速率。但是请注意:过高的电流可能会导致衰减和再生周期被检测不到!在专家圈子里,人们会经常听到说单晶组件比多晶组件更不易受LeTID的影响。有时新闻报道出来的“组件因LeTID衰减超过7%,主要以多晶组件为主。”

  但是到目前为主,我们在测试过程中并没有观察到任何显著的差异。而且,我们发现事实正好相反,其中一款多晶PERC组件几乎没有受LeTID影响。

  在测试的10款组件中,两款多晶组件在1000小时后降级最高只有2%,而其余单晶PERC组件的衰减范围为1%至4%不等。多晶组件制造商可能已经采取了相应的措施来抵消LeTID的影响,而一些单晶组件产品可能主要致力于抵消LID,并不能实现面面俱到。无论如何,PERC技术已经是一种标准技术,不需要特别提及,厂家也避免关于任何LeTID的讨论。此外,这种额外的衰减可以通过不影响转换效率的电池生产措施来消除。

  在这种情况下。PERC始终是可以盈利的一种技术。但是这个结论应该通过独立测试来验证,而不仅仅是制造商通过工厂审核和合格的实验室测试。

  无论如何,对LeTID的科学阐述始终是紧迫的,只有弄清楚它的原理才能提高PERC的可信度。对于那些认为LeTID无关紧要的制造商来说,这一阐述更为重要,哪怕他们的组件在柏林光伏研究所的测试中,显示LeTID比LID还严重。

  使用N型硅片代替P型硅片(比如N-TYPE PERC,JHT或者N-PERT)的最新高效电池技术,在光诱导衰减方面,原则上比PERC电池更加稳定。

  至少柏林光伏研究所和其他实验室当前的测试显示如此。这些新技术具有更高的潜在效率,但是对于光伏制造商来说改造成本过高。

  无论是通过提高对LeTID的研究来解决其影响还是直接转向新一代电池片技术,我们期待科学能够帮助我们加速找出最佳的解决方案。

  附:关于本文作者

  保罗.格鲁诺是柏林光伏研究所的创始人及首席执行官,在这之前,他曾是光伏电池制造商Q-CELLs的创始人之一。


  图片:柏林光伏研究所创始人兼首席执行官保罗.格鲁诺

  自2011年以来,柏林光伏研究所(PI Berlin)已经对来自世界各地的150多个随机样本进行了”性能打包测试”,然后通过集装箱将这些组件样品直接发到安装目的地。不仅有LID测试,测试包里还包括了:STC,微光,电场发光和PID测试,以及根据项目大小决定的,对10个或者更多数量的组件样品进行剥落和凝胶含量测试。

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